第四章 计算机数控（ CNC ）系统  本章重点：  1 计算机数控系统构成及其结构特点  2 运动轨迹插补原理  3 刀具补偿

§4-1 数控系统的构成与功能  1 数字控制的任务  机械制造工艺中的数字控制就是使工件与刀 具的相对运动形成规定的几何轨迹。对数控 机床来说其根本任务是：运动轨迹行程量和 开关量控制。  2 CNC 系统的组成  程序、输入输出设备、 CNC 控制器、可编程 控制器（ PLC ）、主轴驱动和进给驱动单元 等组成。其结构框图如下：

CNC 系统一般结构框图 输入 装置 通讯 线路 输出 装置 PLC 主轴控 制单元 数度控制 单元 主轴电机 机床电器 进给电机 位置检测 装置 电器控 制单元 计算机 硬件与 数控系 统软件 CNC 控制器

3 CNC 控制器的一般工作过程  CNC 的工作是在计算机硬件支持下，执行软 件控制功能的全过程。具体来说经过了  1 ）输入  2 ）译码  3 ）刀具补偿  4 ）进给速度处理  5 ）插补

 6 ）位置控制  7 ） I/O 处理  8 ）显示  9 ）故障诊断

CNC 信息流程

4 CNC 的控制主要功能  1 ）轴控制功能  2 ）指令机床运动方式的准备功能  3 ）插补功能  4 ）进给功能 工进、快进、倍率进给、同步进给 （车螺纹）  5 ）主轴功能  6 ）刀具功能和第二辅助功能（指定工作台分度）  7 ）字符图形显示功能  8 ）通讯功能  9 ）自诊断功能  10 ）人机交互图形编程功能

§4-2 CNC 的硬件结构  1 常规 CNC 的硬件结构  三种结构形式：  （ 1 ）总线式模块化结构的 CNC ， 32 位多用于 多轴控制的高档数控机床。  （ 2 ）是以单板或专用芯片及模板组成的结构 紧凑的 CNC ，大量用于中档数控机床  （ 3 ）基于通用计算机基础之上开发的 CNC  1 ） 单微处理器结构  发展初期的一些经济型数控机床采用此结构。

单微处理器结构的 CNC 框图

2 ） 单微处理器的结构特点  A ）只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入 输出控制、 CRT 显示等 CPU 实现集中控制分时处理。  B ）微处理器通过总线与存储器、输入、输出等各 种接口相连，构成 CNC 装置。  C ）结构简单，易于实现。  D ）实时性要求很高的插补运算受微处理器、字长、 数据宽度，寻址能力和运算速度的限制。

3 ）多微处理器结构  多微处理器结构的数控装置中有两个或两以 上 CPU ，各 CPU 之间采用紧耦合，资源 共享， 有集中的操作系统。  多微处理器结构多采用模块化结构，通常采 用共享总线或共享存储器两种典型结构实现 模块间的互连与通讯。

4 ）共享总线结构  只有主模块有权控制系统总线。  这类结构以系统总线为中心  支持多微处理器结构的总线均设计有总线仲 裁电路  总线仲裁通常有串行和并行两种裁决方式。

共享总线多微处理器的结构框图

4 ）共享存储器结构  采用多端口存储器 RAM 来实现各 CPU 间的互 连和通讯，每个端口都配有一套数据、地址、 控制线以供访问。  有专门的多端口逻辑控制电路解决访问冲突。  Actrion Ⅲ系统就采用这种结构。

共享存储器结构框图  共享存储器 CRT CPU4 I/O CPU1 插补 CPU2 轴控制 CPU3 来自机床 的控制信号 输到机床的 控制信号

5 ）多微处理器结构特点  性能价格比高。计算速度快，适于多轴控制、 高速、高精度、高效率的要求。  采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性。  硬件易于组织规模生产，降低成本。  可靠性高。

2 开放式 CNC 的硬件结构  可互操作性  可移植性  可缩放性  可相互替代性

§4-3 CNC 系统软件 概述 数控机床实现零件的自动加工原因。 数控装置是依靠其硬件支持，通过运行其软件 完成零件自动加工过程。 各个软件相互协调完成数控任务。

1 三种典型软硬件界面 输入 插补 准备 插补位控 输入 插补 准备 插补位控速控电机 测量

数据流程

2 CNC 系统的多任务与实时中断处理  1 ）多任务 系统任务 管理 输入输出输入输出 显示显示 I/O 处 理 诊断诊断 控制 译码译码 刀补刀补 速度处理速度处理 插补插补 位控位控

2 ）并行处理多重实时中断

3 常规的软件结构  数控系统的基本功能是由各个功能子程序 实 现，不同的软件结构对这些子程序的安排方 式不同，管理方法也不同。  1 ） 多重中断型结构 除初始化外，整个系 统软件的各种任务模块分别安排成不同级别 的中断服务程序中，所有功能程序根据实时 重要程度不同，分成不同的优先级，从而整 个系统软件成为大的中断系统。  日本的 FANUC—7 、 6 系统都属这类。

 2 ）前后台型结构 前台程序是中断 服务程序。后台程序是个循环运行 程序，不断被前台程序所中断，二 者共同配合完成零件的加工任务。 适合于单微处理器硬件结构。如 A-B 7360CNC 。